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从1991 年起,各国正在开展绿色照明,它旨在提倡使用高效节能照明产品,鼓励采用节能照明设计和技术,提高照明质量,保护环境。人们在天然光条件下,不但视觉功效比人工光高,而且还会使人们感到舒适和有益于身心健康,同时能起到节约电能、保护环境、有利于人类社会健康发展的作用,所以如何进行合理地天然采光是绿色照明的一项重要内容。1

 

1 项目介绍

 

2003 年启动的上海生态办公样板房项目为上海市科委立项课题，旨在利用多种生态技术，建造全新的生态理念办公楼。作为生态环境主要评价指标之一的光环境，也受到相当程度的关注。设计师最初提出的方案中在办公楼东面屋顶开了多个天窗，如图1 所示平面图和剖面图，但不清楚天窗具体可以给照明带来多少益处，以及多大面积的天窗可满足照明要求，同时兼顾节能要求。模拟软件提供了一种解决问题的方法。

 

2 软件介绍

 

随着计算机图形学和光环境模拟软件的不断发展，光环境模拟软件的模拟精度逐步提高，因此实用性也在不断提高。现存多种模拟软件，由美国LBNL 开发的Radiance 基于Radiosity 物理模型，在模拟准确性上是其中的佼佼者，但Radiance 运行于Unix 或者Linux 系统。我们所采用的DeskRad是Radiance 的Windows 版本，算法原理和Radiance 一致，但界面建立在AutoCAD R14 或者2000上，建模更为方便。2

 

 

 

图1 生态办公楼的平面图和剖面图

 

DeskRad 的准确性见于报导，对于一般多层建筑的实测和模拟对比显示，DeskRad 模拟软件的误差在30％以内，部分情况下优于15％。34

 

3 模拟流程

 

首先按照设计方提供的工程图纸，在AutoCAD 中建立三维模型。灵活运用图层可以提高建模效率。也可以采用其他软件建模，完成之后导入DeskRad 进行模拟。对于基本不影响结果的部分，可在建模中忽略。本文采用了SketchUp 3.1 软件进行辅助建模，并在模型中忽略了对整个办公楼内照明影响比较小的屋顶部分。

 

  

 

图2 Desktop Radiance 的主界面和辅助建模软件SketchUp

 

输入数据的准确性对于模拟计算结果的准确性有决定意义，因此我们认真选择各种平面对应的材料物理特性和窗户玻璃物理特性。使用到的材料和玻璃的物理特性见表1。

表1 模拟计算的材料物理特性列表

 

 

为考察天窗对大厅采光效果的影响，我们建了a）不开天窗、b）天窗面积为2800*7000、c）天窗面积为3500×7000mm 三种模型，分别考察了全阴天和夏至日14 点大厅内距离地面1m 高平面的光照情况。大厅平面图见图3。

 

图3 一楼大厅平面图，红色矩形为模拟范围

 

4 模拟结果分析

CIE 全阴天情况下，时间为12 月21 日12 点，1 楼东侧大厅，平均采光系数数据见下表，分布见图4。有天窗b、c 相对于无天窗a，平均采光系数高1 倍多；但天窗面积增加为3500×7000mm（c）与天窗稍小的b 相比，采光系数和均匀度都差别不大。从采光系数分布图上也可以看到这一点。

 

表2 全阴天情况下大厅内采光系数模拟结果

 

图4 12 月21 日全阴天，1 楼大厅采光系数分布图  A、B、C 略

CIE 晴天情况，时间为6 月21 日14 点。大厅内照度的模拟结果见表3，分布图见图5。不采用天窗（a）的照度分布最为均匀，而且也达到了办公工作的视觉要求5；开天窗时（b、c）的照度水平偏高，而且天窗投影区最高，易于形成眩光源，因此必须加以外遮阳处理。

表3 夏至日晴天，大厅内照度模拟结果

 

图5 6 月21 日晴天天，1 楼大厅照度分布图  A、B、C  略

5 小结

根据1 楼大厅的照明模拟计算结果，天窗可有效增加办公楼内的照度水平，但天窗面积不宜过大，以免带来眩光和能耗方面的问题，从建筑物整体能耗估算结果也得到了验证。在本例中以5 组2800×7000mm 为宜，并在天窗上安装自动卷帘外遮阳系统，提供更为均匀的自然光照。